CN109760334B - 一种防褶皱预制件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防褶皱预制件，包括：第一结构层，其具有第一刚度；第二结构层，其布置在第一结构层上并且具有大于第一刚度的第二刚度；以及第三结构层，其至少在第二结构层与第一结构层的过渡部处延伸并且第三结构层具有第三刚度，其中第三刚度大于第一刚度且小于第二刚度。此外，本发明还涉及一种用于制造防褶皱预制件的方法。通过本发明，在预制件的两种材料存在彼此过渡的情况下可以显著降低预制件中的褶皱出现概率，从而明显提高预制件的质量，进而提高风机叶片的效率和安全性。

Description

一种防褶皱预制件及其制造方法

技术领域

本发明总的来说涉及风力发电机领域，具体而言，涉及一种防褶皱预制件。此外，本发明还涉及一种制造防褶皱预制件的方法。

背景技术

近年来，清洁能源领域呈现出快速发展的趋势。清洁能源作为一种新型能源，与传统化石燃料相比具有分布广泛、可再生、环境污染小等优点。作为清洁能源的代表，风力发电机的应用日益增长。

风力发电机的叶片是风力发电机捕捉风能的重要组件，其质量直接关系到设备安全和发电效率。决定叶片质量的一个重要因素是形成叶片的玻璃钢的质量。玻璃钢又称玻璃纤维增强复合材料，是形成叶片主体结构的材料。目前，在玻璃钢的生产中广泛采用真空灌注成型方式，其中在树脂(基体)灌注之前，首先在叶片模具中铺设干纤维布(柔性结构)以及预制件(刚性结构)，然后对整体结构包覆真空袋膜并施加真空压力。然而，这样制造的玻璃钢容易在干纤维布上产生褶皱，从而带来局部应力集中，进而引发层合板层间失效，这是导致玻璃钢质量问题的主要原因，也是叶片产生失效的关键原因。目前，为了减轻这一问题，需要在叶片生产中投入较多人力工时来改善这一问题，例如进行抽检或目视检查以减少上述问题。但是这会导致生产速度降低，提高模具占模成本，并仍然不能避免质量风险。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是提供一种防褶皱预制件及其制造方法，通过该预制件和/或该方法，在预制件的两种材料存在彼此过渡的情况下可以显著降低预制件中的褶皱出现概率，从而明显提高预制件的质量，进而提高风机叶片的效率和安全性。

在本发明的第一方面，该任务通过一种防褶皱预制件来解决，该预制件包括：

第一结构层，其具有第一刚度；

第二结构层，其布置在第一结构层上并且具有大于第一刚度的第二刚度；以及

第三结构层，其至少在第二结构层与第一结构层的过渡部处延伸并且第三结构层具有第三刚度，其中第三刚度大于第一刚度且小于第二刚度。

在本发明中，过渡部是指从第二结构层向第一结构层过渡的中间部分的一个或多个面，例如过渡部可以包括：第二结构层的向第一结构层过渡的端部的表面(即端面)、和/或第二结构层的端部与第一结构层的交界面、第二结构层的端部的一个或多个侧面等等。

在本发明的一个优选方案中规定，所述过渡部包括下列各项中的一个或多个：

第二结构层的向第一结构层过渡的端部；以及

第二结构层的端部与第一结构层的交界面。

通过该优选方案，可以在两个刚度差异较大的两个结构层(如第一和第二结构层)之间的过渡部的多个面(如端面、端部交界面等)处提供刚度过渡，由此可以较好地避免层间应力集中，从而降低刚度较低的结构层、即第一结构层中出现褶皱的概率。在此应当指出，在本发明的教导下，在过渡部的其它表面、如一个或多个侧面上布置第三材料层也是可设想的。

在本发明的另一优选方案中规定：

第一结构层是柔性结构层；和/或；

第二结构层是刚性结构层；和/或

第三结构层是网状防褶皱层，其中所述网状防褶皱层由纤维织物和基体复合材料制成。

通过该优选方案，可以低成本地降低形成褶皱的概率。柔性结构层例如可以是较柔软的纤维层，并且刚性结构层例如可以是较硬的塑料层，而网状防褶皱层可以是将纤维织物浸润基体复合材料(如树脂)后固化而成。在本发明的教导下，用于达到所需要的刚度的其它材料、或附加的添加物也是可设想的。

在本发明的又一优选方案中规定，其中第二结构层的端部的厚度逐渐减小，并且其中第三结构层包括第一部分，其从第二结构层的端部的厚度开始减小之处延伸至超过第二结构层的厚度变为零之处一定距离之处；和/或第二部分，其在第二结构层的端部与第一结构层之间的交界面处延伸，其中在存在第一部分和第二部分的情况下，第二部分与第一部分接合。通过该优选方案，可以良好地实现楔形过渡部处的防褶皱。超过厚度变为零之处的一定距离之处可以指稍稍超出厚度变为零之处、例如超出几毫米、几厘米，也可以是超出较大距离、如十几厘米或几十厘米，使得第三结构层充分地覆盖过渡部。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述防褶皱预制件用于风力发电机的叶片。例如，所述防褶皱预制件可以用在风机叶片的形状过渡部处、如叶根、主梁、后缘梁以及最大弦长区域处。通过该扩展方案，可以在铺层(如干纤维布、如干玻纤布)与负载区域、如叶根、主梁、后缘梁之间形成较好的刚性过渡，从而防止或至少减少褶皱的出现。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于制造防褶皱预制件的方法来解决，该方法包括下列步骤：

布置第一结构层，其具有第一刚度；

将第二结构层布置在第一结构层上，其中所述第二结构层具有大于第一刚度的第二刚度；

提供第三结构层，其具有第三刚度，其中第三刚度大于第一刚度且小于第二刚度；以及

将第三结构层布置在第二结构层与第一结构层的过渡部上。

在本发明的一个优选方案中规定，将第三结构层布置在第二结构层与第一结构层的过渡部上包括：

在第二结构层与第一结构层之间的交界面处布置第三结构层；和/或

在第二结构层的向第一结构层过渡的端部处布置第三结构层；和/或

在第二结构层的端部与第一结构层的交界面处布置第三结构层。

通过该优选方案，可以在两个刚度差异较大的两个结构层(如第一和第二结构层)之间的各种形式的过渡部(如端部、交界面等)处提供刚度过渡，由此可以较好地避免层间应力集中，从而降低刚度较低的结构层、即第一结构层中出现褶皱的概率。在此应当指出，在本发明的教导下，其它形式的过渡部也是可设想的。

在本发明的一个扩展方案中规定，该方法还包括：

对所形成的防褶皱预制件浸润或灌注基体复合材料；以及

使基体复合材料固化。

通过该扩展方案，可以提供浸润基体复合材料的预制件、即成品玻璃钢。所述基体复合材料例如为树脂。

在本发明的一个优选方案中规定，其中第二结构层的端部的厚度逐渐减小，并且该方法包括：

布置第三结构层的第一部分，使得第一部分从第二结构层的端部的厚度开始减小之处延伸至超过第二结构层的厚度变为零之处一定距离之处；以及

布置第三结构的第二部分，使得第二部分在第二结构层的端部与第一结构层之间的交界面处延伸并且使得第二部分与第一部分接合。

通过该优选方案，可以在第一和第二结构层之间存在楔形过渡的情况下，提供良好的刚度过渡，从而减少褶皱。但是应当指出，在本发明的教导下，其它形状的过渡也是可设想的。

在本发明的另一优选方案中规定，提供第三结构层包括：

提供纤维织物，其中所述纤维织物具有网状结构；

对所述纤维织物浸润或灌注基体复合材料；以及

使基体复合材料固化。

通过该优选方案，可以以较低成本提供刚度处于第一和第二结构层之间的第三结构层，从而提供良好的刚度过渡。

在本发明的一个扩展方案中规定，该方法还包括：

将一个或多个防褶皱预制件布置在风力发电机的叶片的形状过渡部处。

通过该扩展方案，可以在铺层(如干纤维布、如干玻纤布)与负载区域、如叶根、主梁、后缘梁之间形成较好的刚性过渡，从而防止或至少减少褶皱的出现。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述形状过渡部包括下列各项中的一个或多个：叶根、主梁、后缘梁以及最大弦长区域。在本发明的教导下，其它形式的形状过渡部也是可设想的、如叶片弧形部。

本发明基于发明人的如下独到洞察：本发明人通过研究发现，在真空压力下，干纤维布和预制件之间的过大刚度差异才是产生纤维布褶皱的主要原因，而纤维布褶皱会带来局部应力集中，进而引发层合板层间失效；在本发明中，通过在柔性材料层与刚性材料层的过渡部处布置刚性处于前二者之间的第三结构层，可以有效地避免在柔性材料层处产生褶皱，从而提高预制件质量，进而提高叶片质量。

本发明至少具有下列有益效果：

1)可以在第一和第二材料层的过渡部、如在干玻纤布铺层与主要受载的预制结构件(例如叶片叶根、主梁、后缘梁预制结构)之间形成较好的刚度过渡，从而避免或至少减少褶皱的出现；

2)有利于在大曲率区域中、例如叶片最大弦长区域中铺布时减少褶皱，并且有利于在模具型面坡度较大区域、如模具前后缘减少褶皱，这是因为，在这些区域中，玻纤布由于重力而容易下滑，因此难以在真空压力下贴合型面，而双轴组分的布层容易剪切滑移随之引起单轴向组分的褶皱，通过本发明在过渡部中布置刚度居中的第三结构层，可以可靠地避免或至少减少这些区域中出现的褶皱；以及

3)有利于在一体灌注过程中避免或至少减少褶皱，例如本发明可用于主承力件单轴向铺层(例如主梁和后缘梁)，从而在一体灌注过程中可以避免或控制褶皱在一定的厚度范围内，并且避免由灌注工艺引起新的褶皱缺陷(如灌注鼓包褶皱)。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的防褶皱预制件的第一实施例；

图2示出了根据本发明的防褶皱预制件的第二实施例；以及

图3示出了根据本发明的用于制造防褶皱预制件的方法的流程。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明基于发明人的如下独到洞察：本发明人通过研究发现，在真空压力下，干纤维布和预制件之间的过大刚度差异才是产生纤维布褶皱的主要原因，而纤维布褶皱会带来局部应力集中，进而引发层合板层间失效；在本发明中，通过在柔性材料层与刚性材料层的过渡部处布置刚性处于前二者之间的第三结构层，可以有效地避免在柔性材料层处产生褶皱，从而提高预制件质量，进而提高叶片质量。下面根据具体实施例阐述本发明。

图1示出了根据本发明的防褶皱预制件100的第一实施例，其中在该实施例中，示出了单面防褶皱层。但是在此应当指出，本发明不限于此，而是还可以采用其它形式的防褶皱层、如双面防褶皱层、三面防褶皱层、四面防褶皱层等等。在此，单面防褶皱层是指防褶皱层包封或覆盖第二结构层的单个面、如端面(附加地还延伸至超过第二结构层一定距离)，双面防褶皱层是指防褶皱层包封或覆盖第二结构层的单个面、如端面和底面，而三面防褶皱层是指防褶皱层包封或覆盖第二结构层的一个侧面，四面防褶皱层是指防褶皱层包封或覆盖第二结构层的两个侧面，以此类推。同时，本发明的过渡部也可以如此理解，即过渡部可以是指从第二结构层102向第一结构层103过渡的中间部分的一个或多个面，例如过渡部可以包括：第二结构层102的向第一结构层101过渡的端部的表面(即端面)、和/或第二结构层102的端部与第一结构层101的交界面、和/或第二结构层102的端部的一个或多个侧面。

如图1所示，防褶皱预制件100包括下列组件：

·第一结构层101，其具有第一刚度。第一结构层101例如是柔性材料层、如纺织层、柔性塑料层等等。

·第二结构层102，其布置在第一结构层101上并且具有大于第一刚度的第二刚度。第二结构层102例如可以是刚性材料层、如硬质塑料层、木质材料层等等。在不同应用场景中，本领域技术人员可以根据各材料层的刚度关系自由地选择各材料层的材料。在此，第二结构层102的厚度逐渐减小，也就是说，第二结构层102具有向第一结构层101过渡的楔形端部。在现有技术中，在各材料层的刚度差异较大的情况下，在各材料层的形状发生变化的过渡部容易出现褶皱，由此导致应力集中，从而造成玻璃钢的质量问题。为了解决上述问题，本发明采用了第三结构层103，详见下面的描述。

·第三结构层103，其至少在第二结构层102与第一结构层101的过渡部处延伸并且第三结构层103具有第三刚度，其中第三刚度大于第一刚度且小于第二刚度。在此，第三结构层103在第二结构层102的端面上延伸直至超过第二结构层102一定距离、即超过第二结构层102与第一结构层101之间的接缝104一定距离，从而充分地覆盖过渡部。第三结构层103例如由干纤维布和塑料制成，使得其具有适中的刚度。在不同应用场景中，本领域技术人员可以根据第一和第二材料层的刚度相应地选择第三材料层的材料。通过在过渡部处采用第三结构层103，可以在成形步骤中对整体结构施加真空压力时，实现从第一材料层101到第二材料层102的更平缓的刚度过渡，整体结构的刚度也通过第三结构层103、即防褶皱层较平缓地过渡，避免层间应力集中，从而减少褶皱的出现。第三材料层103超过接缝104的距离可以自由地选择，如1-10毫米或1-10厘米。其它距离也是可设想的。

图2示出了根据本发明的防褶皱预制件200的第一实施例，其中在该实施例中，示出了双面防褶皱层。但是在此应当指出，本发明不限于此，而是还可以采用其它形式的防褶皱层、如三面防褶皱层、四面防褶皱层等等。

图2与图1的区别主要在于，图2的防褶皱预制件200的第三结构层103为双面防褶皱层，也就是说，第三结构层103包括两个部分：

·第一部分，其从第二结构层102的端部的厚度开始减小之处延伸至第二结构层的厚度变为零之处。

·第二部分，其在第二结构层102的端部与第一结构层101之间的交界面处延伸并延伸超出接缝104一定距离，其中第二部分与第一部分接合。在此，接合既可以在布置第一部分以后第二部分以后进行，或者第一部分和第二部分也可以在布置到预制件中以前就已经接合。

在其它实施例中，第一部分也可以从第二结构层102的端部的厚度开始减小之处延伸至超过第二结构层102的厚度变为零之处(即接缝104)一定距离之处，并且第二部分可以在第二结构层的端部与第一结构层之间的交界面处延伸并且不超过接缝104，其中第二部分与第一部分接合。

通过布置附加的第二部分，可以在第一和第二结构层101、102的过渡部处提供更充分的刚度过渡，由此更好地减少褶皱。

此外，图2还示出了第三结构层103、即防褶皱层的一个示例。在此，第三结构层103是网状防褶皱层，其例如由纤维织物和基体复合材料制成。其制作过程例如如下：首先，提供纤维织物，其中所述纤维织物具有网状结构。纤维织物例如可以是干纤维布、干玻纤布等等。然后，对所述纤维织物浸润或灌注基体复合材料、如树脂。最后，例如通过冷却使基体复合材料硬化或固化。在其它实施例中，根据具体应用场景，可以采取其它材料或结构的第三结构层103，只要第三结构层103的刚度满足要求、即处于第一结构层与第三结构层的刚度之间。

本发明至少具有下列有益效果：

1)可以在第一和第二材料层的过渡部、如在干玻纤布铺层与主要受载的预制结构件(例如叶片叶根、主梁、后缘梁预制结构)之间形成较好的刚度过渡，从而避免或至少减少褶皱的出现；

2)有利于在大曲率区域中、例如叶片最大弦长区域中铺布时减少褶皱，并且有利于在模具型面坡度较大区域、如模具前后缘减少褶皱，这是因为，在这些区域中，玻纤布由于重力而容易下滑，因此难以在真空压力下贴合型面，而双轴组分的布层容易剪切滑移随之引起单轴向组分的褶皱，通过本发明在过渡部中布置刚度居中的第三结构层，可以可靠地避免或至少减少这些区域中出现的褶皱；以及

3)有利于在一体灌注过程中避免或至少减少褶皱，例如本发明可用于主承力件单轴向铺层(例如主梁和后缘梁)，从而在一体灌注过程中可以避免或控制褶皱在一定的厚度范围内，并且避免由灌注工艺引起新的褶皱缺陷(如灌注鼓包褶皱)。

图3示出了根据本发明的用于制造防褶皱预制件的方法的流程，其中虚线框表示可选步骤。

在步骤302，布置第一结构层，其具有第一刚度。第一结构层例如是柔性结构层。布置动作例如可以是下列动作中的一个或多个：a)将预先制作的成品结构层放置到相应位置；b)将结构层的材料涂敷到相应位置以在所述位置处形成相应结构层；c)将生坯结构层放置到相应位置，并执行相应处理(如烧结、加热等)以使所述生坯结构层转变为相应结构层。

在步骤304，将第二结构层布置在第一结构层上，其中所述第二结构层具有大于第一刚度的第二刚度。第二结构层例如是刚性结构层。

在步骤306，提供第三结构层，其具有第三刚度，其中第三刚度大于第一刚度且小于第二刚度。第三结构层例如是由纤维织物和基体复合材料制成的网状防褶皱层。

在步骤308，将第三结构层布置在第二结构层与第一结构层的过渡部上。过渡部可以是指从第二结构层向第一结构层过渡的中间部分的一个或多个面，例如过渡部可以包括：第二结构层的向第一结构层101过渡的端部的表面(即端面)、和/或第二结构层的端部与第一结构层的交界面、和/或第二结构层的端部的一个或多个侧面。根据具体应用场景和具体需要，可以布置上述一个或多个面。

在可选步骤310，对所形成的防褶皱预制件浸润或灌注基体复合材料。

在可选步骤312，例如通过冷却、照射紫外线等使基体复合材料固化。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (11)

1.一种用于风机叶片的防褶皱预制件，包括：

第一结构层，其具有第一刚度；

第二结构层，其布置在第一结构层上并且具有大于第一刚度的第二刚度；以及

第三结构层，其至少在第二结构层与第一结构层的过渡部处延伸并且第三结构层具有第三刚度，其中所述过渡部包括第二结构层的向第一结构层厚度逐渐减小的楔形部的坡形面，并且所述楔形部的底面朝向第一结构层，其坡形面背向第一结构层，其中第三刚度大于第一刚度且小于第二刚度，其中在所述坡形面上布置有第三结构层。

2.根据权利要求1所述的防褶皱预制件，其中所述过渡部包括下列各项中的一个或多个：

第二结构层的向第一结构层过渡的端部；以及

第二结构层的端部与第一结构层的交界面。

3.根据权利要求1所述的防褶皱预制件，其中：

第一结构层是柔性结构层；和/或；

第二结构层是刚性结构层；和/或

第三结构层是网状防褶皱层，其中所述网状防褶皱层由纤维织物和基体复合材料制成。

4.根据权利要求1所述的防褶皱预制件，其中第二结构层的端部的厚度逐渐减小，并且其中第三结构层包括第一部分，其从第二结构层的端部的厚度开始减小之处延伸至超过第二结构层的厚度变为零之处一定距离之处；和/或第二部分，其在第二结构层的端部与第一结构层之间的交界面处延伸，其中在存在第一部分和第二部分的情况下，第二部分与第一部分接合。

5.一种用于制造用于风机叶片的防褶皱预制件的方法，包括下列步骤：

布置第一结构层，其具有第一刚度；

将第二结构层布置在第一结构层上，其中所述第二结构层具有大于第一刚度的第二刚度；

提供第三结构层，其具有第三刚度，其中第三刚度大于第一刚度且小于第二刚度；以及

将第三结构层布置在第二结构层与第一结构层的过渡部上，其中所述过渡部包括第二结构层的向第一结构层厚度逐渐减小的楔形部的坡形面，并且所述楔形部的底面朝向第一结构层，其坡形面背向第一结构层，其中在所述坡形面上布置有第三结构层。

6.根据权利要求5所述的方法，其中将第三结构层布置在第二结构层与第一结构层的过渡部上包括：

在第二结构层的向第一结构层过渡的端部处布置第三结构层；和/或

在第二结构层的端部与第一结构层的交界面处布置第三结构层。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括：

对所形成的防褶皱预制件浸润或灌注基体复合材料；以及

使基体复合材料固化。

8.根据权利要求5所述的方法，其中第二结构层的端部的厚度逐渐减小，并且该方法包括：

布置第三结构层的第一部分，使得第一部分从第二结构层的端部的厚度开始减小之处延伸至超过第二结构层的厚度变为零之处一定距离之处；以及

布置第三结构的第二部分，使得第二部分在第二结构层的端部与第一结构层之间的交界面处延伸并且使得第二部分与第一部分接合。

9.根据权利要求5所述的方法，其中提供第三结构层包括：

提供纤维织物，其中所述纤维织物具有网状结构；

对所述纤维织物浸润或灌注基体复合材料；以及

使基体复合材料固化。

10.根据权利要求5所述的方法，还包括：

将一个或多个防褶皱预制件布置在风力发电机的叶片的形状过渡部处。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述形状过渡部包括下列各项中的一个或多个：叶根、主梁、后缘梁以及最大弦长区域。

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